近日，上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院后摩爾中心（PMICC）寇煦豐課題組聯(lián)合沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)張錫祥團(tuán)隊(duì)，在美國(guó)舊金山舉行的第70屆國(guó)際電子器件會(huì)議(International Electron Device Meeting, IEDM)上，以題為“Field-Free Rashba-Type Crystal Torque MRAM with High Efficiency and Thermal Stability”報(bào)告了新型磁存儲(chǔ)器（MRAM)最新研究成果。IEDM自1955年創(chuàng)辦以來(lái)，一直是國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)界的權(quán)威會(huì)議和風(fēng)向標(biāo)，為全球集成電路領(lǐng)域提供了一個(gè)展示技術(shù)突破的重要平臺(tái)。此次上海科技大學(xué)再次以第一完成單位在IEDM上發(fā)表論文，體現(xiàn)了學(xué)校在微電子領(lǐng)域的科研實(shí)力和影響力的持續(xù)增強(qiáng)。

當(dāng)前，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新計(jì)算范式對(duì)存儲(chǔ)需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，市場(chǎng)迫切需要高速、低能耗的新型存儲(chǔ)器件。MRAM 因其兼具非易失性、高讀寫(xiě)速度（1 ns）、高擦寫(xiě)次數(shù)（10¹⁵）的特點(diǎn)，被視為下一代存儲(chǔ)技術(shù)的重要候選，受到全球半導(dǎo)體廠(chǎng)商的高度關(guān)注。然而，當(dāng)前主流的電流型STT-MRAM面臨可靠性和可擴(kuò)展性方面的挑戰(zhàn)，而下一代自旋軌道矩磁存儲(chǔ)器（SOT-MRAM）對(duì)輔助磁場(chǎng)的依賴(lài)，始終是制約其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵難題之一。

在前期研究中，寇煦豐課題組充分發(fā)揮窄禁帶化合物半導(dǎo)體InSb自旋軌道耦合效應(yīng)強(qiáng)、遷移率高的優(yōu)勢(shì)、以及其與CdTe在晶格匹配方面的協(xié)同效應(yīng)，采用分子束外延（MBE）技術(shù)成功制備了高質(zhì)量的3英寸InSb/CdTe異質(zhì)結(jié)薄膜，并驗(yàn)證了界面誘導(dǎo)的強(qiáng)自旋軌道矩效應(yīng)（IEDM-2021）。在此基礎(chǔ)上，本次研究通過(guò)引入AlInSb/InSb/CdTe量子阱結(jié)構(gòu)，將體系電荷-自旋流轉(zhuǎn)換效率提升了 45.6%，顯著降低了 SOT-MRAM 所需的翻轉(zhuǎn)電流密度。研究還發(fā)現(xiàn)InSb（111）晶體的閃鋅礦結(jié)構(gòu)可以打破空間對(duì)稱(chēng)性破缺，從而產(chǎn)生顯著的面外晶體力矩（Crystal-Torque, CT），實(shí)現(xiàn)CT-MRAM器件在無(wú)外場(chǎng)輔助下的可靠寫(xiě)入操作。相較于其他無(wú)磁場(chǎng)翻轉(zhuǎn)方案，本工作揭示的晶體力矩機(jī)制不僅簡(jiǎn)化了器件結(jié)構(gòu)并提升了寫(xiě)入操作的便捷性，更因其內(nèi)稟特性，可在40℃至+125℃的工作溫區(qū)內(nèi)穩(wěn)定工作，且寫(xiě)入電流密度較其他幾類(lèi)SOT-MRAM器件降低了1-2個(gè)量級(jí)。該研究為破解傳統(tǒng) MRAM 商業(yè)化瓶頸提供了新思路，有望加速 SOT-MRAM 的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，滿(mǎn)足智能化時(shí)代的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

上?？萍即髮W(xué)是該成果的第一完成單位，信息學(xué)院后摩爾中心寇煦豐課題組2021級(jí)碩士研究生黃浦陽(yáng)、2022級(jí)博士研究生姚珊、2020級(jí)博士研究生職正航和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)陳愛(ài)天為文章共同第一作者，寇煦豐教授和張錫祥教授為共同通訊作者。

圖1 | 基于A(yíng)lInSb/InSb/CdTe量子阱結(jié)構(gòu)的CT-MRAM器件

圖2 | 無(wú)輔助磁場(chǎng)CT-MRAM器件實(shí)現(xiàn)40℃至+125℃溫度區(qū)間的高效工作